微流体芯片信号采集与处理系统的研制

摘要

微流体芯片(Micro-fluidicChip)是近年来刚刚发展起来的一门新兴技术。它是建立在毛细管电泳系统基础之上，与微电子机械系统(MicroElectroMechanicalSystem)、生物化学、分析化学等多学科交叉的研究领域。它在高效快速的分离、灵活性的设计和多功能单元集成方面的潜力引人注目，成为当今的研究热点之一，并已经开始在生命科学、药物化学、医学等诸多领域得到应用，但其检测器的性能不足严重制约了微流体芯片系统的发展。 本论文主要在探讨微流体芯片工作原理和信号特点的基础上，本着高灵敏度、低成本、性能稳定、操作简便的目标，开展了微流体芯片信号采集与处理系统的研制工作。 论文的主要工作和内容有：(1)总结前人在微流体芯片领域的研究情况，指出了分析仪器国内外研究现状，并分析了其发展趋势； (2)深入了解了微流体芯片工作原理，及其输出信号的特点，研究了相关的数字信号处理理论(有限长单位冲激响应滤波器、小波变换等)； (3)研讨了共聚焦反射式激光诱导荧光检测方法，确定了微流体芯片信号采集与处理系统的总体设计方案，并分模块实现了该系统数据采集器的硬件和软件的设计与制作； (4)编制了位于上位计算机的微流体芯片信号处理与分析软件，实现了谱线的绘制、分析、存储和打印等功能；设计并实现了多种数字信号处理算法。 (5)完成了实验系统组装与联调。采用信号模拟的方法，对研制出的信号采集与处理系统进行测试和验证；并用编制的各种数字信号处理算法对模拟产生的电泳谱峰图进行了处理，且对处理结果进行了比较分析。 本文的研究为开发一种高灵敏度、性能稳定、操作简便和便携式的新型生化分离分析仪器奠定了一定的技术基础。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及本论文使用授权说明

第一章绪论

1.1引言

1.2微流体芯片的提出及其特点

1.3微流体芯片主要检测方法

1.3.1激光诱导荧光检测

1.3.2质谱检测

1.3.3化学发光检测

1.3.4电化学检测

1.4现代信号采集与处理技术

1.5国内外研究概况

1.5.1国外研究概况

1.5.2国内研究概况

1.6论文研究的意义及主要研究内容

第二章微流体芯片的工作原理及信号处理相关理论

2.1引言

2.2微流体芯片的工作原理

2.2.1电泳基本原理

2.2.2电渗流

2.2.3影响电渗流的因素

2.2.4电渗流的控制

2.3微流体芯片信号的特点

2.4电泳谱峰的特性

2.5数字信号处理相关理论

2.5.1采样定理

2.5.2滤波原理

2.5.3 FIR滤波器

2.5.4小波变换

第三章微流体芯片数据采集器的设计

3.1引言

3.2检测原理

3.3数据采集系统的总体方案设计

3.4单片机的选型

3.5信号调理电路

3.5.1前置放大电路

3.5.2滤波电路

3.6 A/D转换电路

3.7数据传输电路

3.8进样电压控制电路

3.9系统的抗干扰设计

3.9.1看门狗电路

3.9.2信号隔离电路

3.10数据采集器程序设计

第四章微流体芯片信号处理与分析软件的设计

4.1引言

4.2软件开发平台的选择

4.3微流体芯片信号处理与分析软件功能框架

4.4人机交互界面的设计

4.5数据传输模块

4.6数字信号处理模块的设计

4.6.1 FIR滤波器的设计与实现

4.6.2小波变换滤波的设计与实现

4.7 Visual C++与Matlab的混合编程

4.8谱线实时绘制模块

4.9谱线分析模块

4.10谱线图的保存和打印模块

第五章实验系统的组装与调试

5.1引言

5.2实验系统与原理

5.3实验过程

5.4实验结果及分析

5.4.1数据采集与显示测试

5.4.2数字信号处理算法的验证

第六章总结与展望

6.1论文总结

6.2工作展望

参考文献

作者在攻读学位期间公开发表的论文

致谢